中科院等科學家合作研究揭示病原菌對宿主蛋白進行新型泛素化修飾的分子機制

5月3日，《細胞》（Cell）雜誌在線發表了中國科學院科學家團隊——生物物理研究所高璞課題組與紐約大學合作的研究論文Structural Insights into Non-canonical Ubiquitination Catalyzed by SidE。該工作解析了來源於高致病性嗜肺軍團菌（Legionella pneumophila）的新型泛素化酶SidE與ubiquitin和配體的多個複合物的高解析度晶體結構，並結合大量的生化實驗和突變體分析，揭示了SidE同ubiquitin及其配體的新穎互作方式和催化機制。

泛素化修飾調控著真核細胞幾乎所有的生命活動。在與宿主的長期博弈過程中，病原菌進化出了多種方式來干預宿主的泛素修飾系統，從而達到增強侵染效率和逃避免疫監視的目的。以往報道的泛素化修飾（不論是宿主自身的，或是病原參與的），均是通過經典的E1-E2-E3三酶級聯反應進行催化。而近期鑒定的來源於嗜肺軍團菌的SidE家族卻可以對多種宿主蛋白進行非典型的泛素化修飾。該家族有四個成員：SidE、SdeA、SdeB及SdeC，其結構域從N端到C端分別為DUB結構域、PDE結構域、mART結構域及coil-coil結構域。在經典的泛素修飾系統中，通過E1-E2-E3的級聯反應，在ATP及Mg離子存在下，將ubiquitin的C末端共價連接到底物蛋白的賴氨酸上。而SidE家族蛋白參與的催化過程則完全不同：首先，mART結構域將NAD分子的ADP-ribose基團連接到ubiquitin第42位的精氨酸上，生成ADP-ribosylated ubiquitin（ADPr-Ub）；然後，PDE結構域進一步切割ADPr-Ub中的磷酸二酯鍵，生成phospho-ribosylated ubiquitin（Pr-Ub），並同時將Pr-Ub共價連接到底物的絲氨酸上。然而，mART結構域結合及修飾ubiquitin，以及PDE結構域結合及水解ADPr-Ub的具體分子機制仍然不清楚。

在這項工作中，研究人員通過大量的嘗試，成功獲得了SidE在其兩步催化反應中，與ubiquitin及其配體的高解析度晶體結構。SidE的apo結構表明，mART結構域和PDE結構域的催化口袋互相遠離並朝向不同的方向，提示這兩個結構域的催化過程是相互獨立的；同時這兩個結構域又通過一段保守的基序緊密結合，當喪失這種相互作用時，兩個結構域的活性都受到了影響。mART結構域與ubiquitin及輔因子NAD的複合物結構顯示，mART結構域利用其表面的一個高度保守區域參與結合ubiquitin，而這個互作界面非常靠近mART的催化中心；ubiquitin的C末端tail則貢獻了其主要的結合位點，尤其是第72位及74位的精氨酸緊密結合到mART結構域的酸性氨基酸形成的口袋裡；NAD則結合於mART結構域經典的R-S-E motif上，其煙醯胺基團則朝向ubiquitin的42位精氨酸方向，等待著催化形成ADPr-Ub。PDE結構域與ubiquitin及ADP-ribose的複合物結構表明，ubiquitin結合於PDE結構域催化口袋的一側，其Lys6-Thr9這段區域及His68貢獻了主要的結合位點，Arg42朝向PDE結構域的活性中心；PDE結構域在結合了ubiquitin後會產生局部的構象變化，以利於催化的進行。以上所有參與結合及催化的關鍵氨基酸，研究人員均利用突變體實驗進行了酶活驗證。此外，研究人員還發現SidE家族蛋白對底物的識別不依賴於底物蛋白的特定三維結構，只要底物蛋白上含有能夠進入SidE催化口袋的絲氨酸，那麼均可被泛素化修飾。這些結果不僅較為完整地闡明了SidE家族蛋白新穎的泛素修飾機制，還為開發基於此新型泛素修飾系統的生物學工具提供了基礎。

該工作是由高璞課題組與紐約大學合作完成的。高璞為論文的主要通訊作者，高璞課題組助理研究員王勇為論文的第一作者。上海光源在晶體衍射數據收集過程中給予了幫助；生物物理所平台的楊福全和謝振聲在質譜分析方面給予了大力幫助；生物物理所研究員俞洋在細胞實驗方面給予了指導。該工作得到了國家自然科學基金、中科院先導專項計劃、生物物理所啟動經費和中組部青年千人計劃的資助。

圖：SidE的兩步反應中，mART結構域及PDE結構域結合ubiquitin的三維結構

（來源：中國科學院）

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